JP2007253151A - 金属繊維メディア、これをフィルター部材とした排ガス浄化装置用フィルター及び該フィルター製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性、機械的強度及び熱伝導効率に優れた金属繊維メディアをフィルター部材としたディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質除去用フィルター及びフィルター製造方法を提供する。
【解決手段】一方向性が与えられた多数の金属繊維、または２０〜５００個の金属繊維束からなり、１ｇにつき、長さが０．４５〜０．６ｍで、ねじり率が１〜９ｔｕｒｎｓ／ｍである金属繊維ヤーンが長さ方向に整列されてなる気孔率３０〜９５％の金属繊維マットと、前記金属繊維マットの上、下面に付けられた気孔率５％〜９５％の支持体とからなる金属繊維メディアをフィルター部材とした。外部的衝撃などによってクラックが発生せず、破損の恐れがない。フィルター再生時に熱が均一に伝達され、局所加熱によるフィルターの破損及び材料の溶融が防止され、優れた加工性及び粒子状物質捕集率が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属繊維メディア（ｍｅｄｉａ）、これをフィルター部材とした排ガス浄化装置用フィルター及びフィルター製造方法に関するものである。具体的に、本発明は、耐久性、機械的強度及び熱伝導効率に優れた金属繊維メディア、これをフィルター部材とした排ガス浄化装置用フィルター及びフィルター製造方法に関する。

ディーゼルエンジンは、高い熱效率及び優れた耐久性を有するが、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ；ＰＭ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）が多量排出される。このような粒子状物質及び窒素酸化物は大気汚染を誘発し、特に粒子状物質は呼吸器系への吸着率が高いため人体に非常に有害な物質である。にもかからわず、近年、ディーゼル自動車から排出される粒子状物質及び窒素酸化物は急増し、社会的問題とされるに至った。そこで、最近、環境部の軽油車環境委員会（韓国）は、ディーゼル乗用車の販売を許容しながら、排ガスの排出許容基準を強化する一方、媒煙後処理装置（ＤＰＦ（ｄｉｅｓｅｌ ＰＭ ｆｉｌｔｅｒ）またはＤＯＣ（ｄｉｅｓｅｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｃａｔａｌｙｓｔ））等の取付を義務付ける方案を発表した。

ディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質は、含炭素微粒子、サルフェートのような含硫黄微粒子、及び高分子量炭化水素微粒子のような微粒子物質を含むもので、大気中に排出されると、微粒の軽い粒子であるがために浮遊し、環境汚染を誘発し且つ視野を狭くする他、肺疾患などを引き起こす原因とされている。このようなディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質は、従来、ディーゼル粒子状物質フィルター（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ；以下、‘ＤＰＦ’という。）を使って除去してきた。

ＤＰＦは、ディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質を捕集するもので、その排出量を低減させることができる。しかしながら、時間の経過とともにフィルターに捕集された粒子状物質が増加してフィルターが詰まり、これにより、排ガスの差圧が増加し、エンジンの負圧が増加し、結果としてエンジンの性能が低下してしまう。このようなフィルター性能の回復、すなわち、フィルターの再生のためには、フィルターにかかった炭化水素類のすす（Ｓｏｏｔ）を燃やさなければならない。

ＤＰＦの使用において最も問題となるのは、フィルターに蓄積された粒子状物質の除去、すなわち、ＤＰＦの再生に関るものである。フィルター再生方法には、一般に、触媒を使用する方法と外部からエネルギーを加えてＰＭを燃焼させて除去する方法が利用される。したがって、ＤＰＦを用いたディーゼルエンジン排ガス中のＰＭ粒子除去及びＤＰＦの再生と関連してＤＰＦに要求される性能は、（１）ろ過効率（ＰＭ捕集率など）、（２）耐熱性、（３）熱膨張率、（４）熱衝撃及び機械的強度と耐久性、及び（５）差圧特性であるが、加熱状態などによる耐熱衝撃性及び耐久性弱化が問題とされる。

一方、従来ＤＰＦでは、フィルター材料に、セラミック材料であるコーディエライト（ｃｏｒｄｉｅｒｉｔｅ）及びＳｉＣ、そして焼結金属マットが用いられてきた。

コーディエライトフィルターは、２ＭｇＯ−２Ａｌ_２Ｏ_３−５ＳｉＯ_２組成を持つセラミック材料からなるもので、強度に優れており、約１２００℃までの温度で安定的に使用可能である。主としてコーニング社製のフィルターが、コーディエライトで製造される。しかし、粒子状物質が多く蓄積された箇所では熱伝導度が小さく、よって、再生時に発生
する高熱によってフィルターが局所的に溶融するので、耐久性に問題がある。

このような高温での溶融と熱衝撃による不具合を克服するために、ＳｉＣ材質のフィルターが開発されたが、ＳｉＣフィルターは、耐熱性及び機械的強度には優れているが、原料が高価で、高温焼結などを必要とするため製造工程が複雑であるという問題があった。

一方、主としてドイツ系フィルターメーカーは、焼結金属マットや金属粉末焼結品をフィルター材料とする。例えば、エミテック社による大韓民国特許公開第２００５−３０２２３には、フィルター層を焼結金属繊維で製造する方法が開示されている。しかし、焼結金属マットからなるフィルターは、焼結によって金属が弱くなりがちで、フィルターとして加工する際に曲げ部分などが壊れやすい等、加工性が悪かった。

このようにセラミックフィルターは、衝撃などによってクラックが生じ易い他、再生時に局所的な加熱によってフィルターが溶融するという問題があるし、焼結金属マットは、加工性が悪いという問題を有する。したがって、耐久性、機械的強度及び熱伝導効率に優れたディーゼルエンジン排ガス用フィルターが切に要求されている現状にある。

本発明は上記課題を解決するもので、その目的は、耐久性、機械的強度及び熱伝導効率に優れたディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質を除去するための金属繊維メディアを提供することにある。

本発明の他の目的は、耐久性、機械的強度及び熱伝導効率に優れた金属繊維メディアをフィルター部材とした排ガス浄化装置用フィルターを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、耐久性、機械的強度及び熱伝導効率に優れた上記フィルターの製造方法を提供することにある。

本発明の第１の構成において、一方向性が与えられた多数の金属繊維からなり、気孔率が３０％〜９５％である金属繊維マットと、前記金属繊維マットの上、下面に付けられた気孔率５％〜９５％の支持体とを含んでなる、金属繊維メディアが提供される。

本発明の第２の構成において、一方向性が与えられた２０〜５００個の金属繊維束からなり、１ｇにつき、長さ０．４５〜０．６ｍ、ねじり率１〜９ｔｕｒｎｓ／ｍの金属繊維ヤーンが長さ方向に整列されてなる気孔率30％〜９５％の金属繊維マットと、前記金属繊維マットの上、下面に付けられた気孔率５％〜９５％の支持体とを含んでなる、金属繊維メディアが提供される。

本発明の第３の構成において、一方向性が与えられた多数の金属繊維からなり、気孔率が３０％〜９５％である金属繊維マットと、前記金属繊維マットの上、下面に付けられた気孔率５％〜９５％の支持体とを含んでなる金属繊維メディアをフィルター部材とした、排ガス浄化装置用フィルターが提供される。

本発明の第４の構成において、一方向性が与えられた２０〜５００個の金属繊維束からなり、１ｇにつき、長さが０．４５〜０．６ｍで、ねじり率が１〜９ｔｕｒｎｓ／ｍである金属繊維ヤーンが長さ方向に整列されてなる気孔率３０％〜９５％の金属繊維マットと、前記金属繊維マットの上、下面に付けられた気孔率５％〜９５％の支持体とを含んでなる金属繊維メディアをフィルター部材とした、排ガス浄化装置用フィルターが提供される
。

本発明の第５の構成において、一方向性が与えられた多数の金属繊維からなり、気孔率が３０％〜９５％である金属繊維マットを製造する段階と、前記金属繊維マットの上、下面に、気孔率５〜９５％の支持体をつけて金属繊維メディアを製造する段階と、前記金属繊維メディアを所望の形態のフィルター部材に製造する段階と、前記フィルター部材の両端を固定部材で固定する段階と、を含む、排ガス浄化装置用フィルターの製造方法が提供される。

本発明の第６の構成において、一方向性が与えられた２０〜５００個の金属繊維束からなり、１ｇにつき、長さが０．４５〜０．６ｍであり、ねじり率が１〜９ｔｕｒｎｓ／ｍである金属繊維ヤーンを長さ方向に整列して、気孔率３０％〜９５％の金属繊維マットを製造する段階と、前記金属繊維の上、下面に、気孔率５〜９５％の支持体をつけて耐熱性金属繊維メディアを製造する段階と、前記耐熱性金属繊維メディアを所望の形態のフィルター部材に製造する段階と、前記フィルター部材の両端を固定部材で固定する段階と、を含む、排ガス浄化装置用フィルター製造方法が提供される。

本発明による金属繊維メディアがフィルター部材として使われる排ガス浄化装置用フィルターは、金属材料からなるため、優れた耐久性、機械的強度及び熱伝導率を呈する。このような本発明の金属繊維メディアは、耐久性及び機械的強度に優れているため、外部的衝撃などによってクラックが発生せず、破損の恐れがない。また、熱伝導率に優れているため、フィルター再生のためのすす（ｓｏｏｔ）燃焼時に熱が均一に伝達され、局所加熱によるフィルターの破損及び材料の溶融が防止され、結果としてフィルター再生効果が高い。なお、本発明の金属繊維メディアは、焼結されないので金属が弱くならず、よって、加工性に優れている。さらに、従来コーディエライト及び焼結金属マットからなるフィルターに劣らないディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質捕集効率を呈する。

以下、本発明について詳細に説明する。
従来、ディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するために使われる粒子状物質ろ過装置（ＤＰＦ）の核心要素であるフィルター材料には、セラミック材料の一種であるコーディエライトあるいは焼結金属マットが主として用いられてきた。しかし、コーディエライトの場合、衝撃（振動）によってクラックが発生し破損する恐れがある他、フィルターを再生するために燃焼する過程で、低い熱伝逹率に起因する局所的な集中加熱によってフィルターが效率的に再生されず、溶解または破損することもあった。焼結金属マットの場合は、焼結によって強度が弱くなるので、所望する形態のフィルターに製造する場合、曲げ部分などで破損が起こり易く、よって、フィルターへの加工性が悪いという問題があった。そこで、耐久性、機械的強度及び熱伝導効率に優れた排ガス浄化装置用フィルター材料の開発が要求されてきた。

本発明による金属繊維メディアをフィルター部材とした排ガス浄化装置用フィルターは、金属材料からなるため優れた耐久性、機械的強度及び熱伝導率を有する。なお、本発明の金属繊維メディアは、耐久性及び機械的強度に優れているため、外部的衝撃等によってクラックが発生せず、破損の恐れがないし、また、熱伝導率に優れているため、フィルター再生のための燃焼時に熱が均一に伝達され、局所加熱によるフィルターの破損及び材料の溶融が防止され、結果として優れたフィルター再生効果を呈する。

さらに、本発明の金属繊維メディアは焼結されないので金属が弱くならず、優れた加工性
を呈し、かつ、３次元的デプスフィルタリング（ｄｅｐｔｈ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）がなされるので、より優れた媒煙捕集効率を呈する。なお、従来コーディエライト及び焼結金属マットからなるフィルターに劣らないディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質捕集効率及び再生効率を呈する。

図１に、本発明の一実施形態による金属繊維メディア１０を示す。図１に示すように、本発明の金属繊維メディア１０は、金属繊維マット１’と、マット１’の上・下面に付けられた支持体２，２’とからなる。

金属繊維マットは、金属繊維、またはこの金属繊維からなるヤーンで製造することができる。本発明の金属繊維メディア１０に使用可能な様々な形態の金属繊維マットを、図２ａ乃至図２ｃに示す。この金属繊維マット製造に使われる金属繊維は特に限定されることはなく、いずれの金属繊維も使用可能である。なお、これらの金属繊維は一方向性が与えられるように整列される。特に限定されることはないが、例えば、本発明に使用可能な金属繊維は、溶融抽出法で製造された、無作為の方向性を有する金属繊維に梳毛（ｃｏｍｂｉｎｇ）して一方向性を与えた金属繊維として使用することが好ましい。

図２ａは、本発明の一実施形態において、溶融抽出法で製造された、無作為の方向性を有する金属繊維を梳毛して一方向性を与えた耐熱性金属繊維マットを示す図である。

図２ｂは、本発明の一実施形態において長さ方向に整列された金属繊維ヤーンで作られた金属繊維マットを示す図である。図２ｂの金属繊維マットにおいて、金属繊維ヤーン３は、溶融抽出法で製造された無作為の方向性を有する金属繊維を梳毛して一方向性を与えた２０〜５００個の金属繊維束からなり、１ｇにつき、長さが０．４５〜０．６ｍで、ねじり率が１〜９ｔｕｒｎｓ／ｍである。

上記金属繊維には、等価直径１０〜１５０μｍのものが好ましく使用されることができる。等価直径が１０μｍ未満であると、梳毛時に切れ易いため好ましくなく、１５０μｍを超過すると、ヤーンの製造時に、１本のヤーンをなす繊維の個数が少ないためヤーンが作られず、好ましくない。また、繊維長が１０〜２０ｃｍである金属繊維を使用することが好ましい。繊維長が１０ｃｍ未満であると、長さが短いためヤーンにしにくく、溶融抽出工程では直径１０〜１５０μｍの金属繊維を２０ｃｍを越える長さに製造することが困難である。

溶融抽出法は、本出願人による米国特許第６，６０４，５７０号に開示した通り、図３に示す装置を使って、直径１２ｍｍの円形の棒材（ｒｏｄ）を溶融手段のインダクションコイルに近付けて棒材の末端を溶融させ、この部分を１〜１００ｍ／ｓｅｃで高速回転するディスクに接触させて瞬間的に直径２０〜７０μｍの金属繊維を抽出する方法である。溶融抽出法で製造された微細金属繊維は、図４ａのように方向性無く無作為に混在しており、金属繊維の断面は、図４ｂに示すように半月形状であり、金属繊維の側表面には、図４ｃのように高さ１〜５μｍの多数の突起が形成されている。

上記の溶融抽出法で製造された無方向性の金属繊維を本発明の金属繊維マットとするためには、一定の方向性が与えられなければならない。微細金属繊維がお互い平行に一方向に配列される一方向性は、無作為に混在している金属繊維を連続して数回梳毛することによって与えることができる。このように溶融抽出法で得られた無方向性の金属繊維を梳毛して一方向性を与えることによって図２ａのような金属繊維マット１を得ることができる。

一方、ヤーンの製造時に、一方向性を与える工程は、１本のヤーンが約２０〜５００個
の金属繊維からなるまで反復する。繊維が２０個未満であると、１本のヤーンを形成する繊維の数が少ないため互いに絡んでヤーンを形成しにくく、５００個を超過すると、ヤーンに含まれる繊維の個数が多いため、フィルターとしたとき差圧が高まる他、フィルター自体の厚さ及び重さが増加するという問題につながる。このようなヤーンの製造に使われる金属繊維も同様に、特に限定されることはなく、いずれの金属繊維も使用可能である。特に限定されることはないが、溶融抽出法で製造された無作為の方向性を有する金属繊維を梳毛して一方向性を与えた金属繊維を使用することが好ましい。

溶融抽出法で得られた金属繊維は、表面に形成されているミクロンレベルの突起によって、ヤーン製造時に金属繊維が抜け落ちる現象が防止されるため、従来の機械加工で製造された金属繊維に比べて容易にヤーンを製造することが可能である。詳細の内容は、大韓民国特許出願第２００５−４２４９号に記載されたとおりである。

一方、耐熱性金属繊維マットに使われる金属繊維ヤーンは、１ｇにつき、長さが０．４５ｍ〜０．６ｍ（０．４５Ｎｍ〜０．６Ｎｍ）で、１〜９ｔｕｒｎｓ／ｍのねじり率となるように製造する。ヤーン１ｇにつき長さが０．４５ｍ未満であると、ヤーンの太さが太いため多孔性が減少してしまうし、０．６ｍを超過すると、ヤーンの太さが細いため継続して一定の太さを保持しにくい。

上記一方向性が与えられた多数の金属繊維からなる金属繊維マット、あるいは、金属繊維ヤーンが長さ方向に整列された金属繊維マットが用いられる場合、金属繊維マットは、単層構造または長さ方向に２層以上積層した構造を使用することができる。例えば、ヤーンの太さが太いと単層とし、ヤーンの太さが細いと多層として金属繊維マットを製造すれば良い。用途別に要求される物性などに応じて、２以上の多数の層に積層して使用しても良い。単層の一方向性が与えられた金属繊維からなる金属繊維マット１を図２ａに、単層の金属繊維ヤーンからなるマット１’を図２ｂに、２層の金属繊維ヤーンからなるマット１”を図２ｃにそれぞれ示す。なお、金属繊維ヤーンからなるマットと一方向性の与えられた多数の金属繊維からなる金属繊維マットとを積層してなる金属繊維マットを使用しても良い。

上記金属繊維マットの製造に使われる金属繊維は、密度１００〜４，０００ｇ／ｍ^２のものが好ましい。密度が１００ｇ／ｍ^２未満であると、気孔の等価直径が約２５０μｍを超過するため好ましくなく、４，０００g/ｍ^２を超過すると、フィルターが重く且つ厚いため成形しにくい。

上記金属繊維には、鉄−クロム−アルミニウム系合金を基礎とするＦｅ−Ｃｒａｌｌｏｙ金属繊維を用いることができる。好ましくは、Ｚｒを０．０５〜０．５重量％、より好ましくは、０．１〜０．３重量％含む改良されたＦｅ―Ｃｒａｌｌｏｙを使用すると良い。この範囲のＺｒを含むＦｅ―Ｃｒａｌｌｏｙ金属繊維からなるマットをメディアとすると、優れた酸化寿命を呈するという利点がある。このＦｅ―Ｃｒａｌｌｏｙ合金は公知のもので、例えば、クロム（Ｃｒ）１３〜３０重量％,アルミニウム（Ａｌ）３〜７重量％ 及び 残部鉄(Ｆｅ)を含むＦｅ―Ｃｒａｌｌｏｙ、好ましくは、ジルコニウム（Ｚｒ）０．０５〜０．５重量％、より好ましくは、ジルコニウム（Ｚｒ）０．１〜０．３重量％をさらに含むＦｅ―Ｃｒａｌｌｏｙを使用すると良い。

前記金属繊維マットは、気孔率が３０％〜９５％であることが好ましい。気孔率が３０％未満であると、排ガスに含まれた粉塵がろ過されつつ差圧上昇率を急激に上げるし、９５％を超過すると、気孔の大きさが大きすぎ、粉塵を適切にろ過できないという問題につながる。

また、金属繊維支持体は、気孔率が５〜９５％であることが好ましい。気孔率が５重量％未満であると、強度は高いが、フィルターの差圧が高すぎるし、９５％を超過すると、差圧は低くなるが、強度が弱くなるという問題がある。この金属繊維マットの上部及び下部の支持体は、等しい、または異なる気孔率を持つことができる。この支持体もまた、金属繊維の材料であるＦｅ―Ｃｒａｌｌｏｙからなるものを使用することができる。金属繊維及び支持体とも耐熱性を有するものである。

図１に示すように、長さ方向に整列された金属繊維（図２ａ）からなるマット１、または金属繊維ヤーン（図２ｂ及び図２ｃ）からなる金属繊維マット１’，１”の上、下面に、支持体としてワイヤーメッシュ２，２’を付けて金属繊維メディア１０を製造する。ワイヤーメッシュ２，２’は、金属繊維マット１’の形状を保持し、金属繊維メディア１０の強度を増大させる機能を担う。金属繊維マット１’の上、下面に支持体２，２’を付けて補強することによって、金属繊維及び金属繊維ヤーンが長さ方向に整列されたマットの状態が固定されるため、後続する一定の形態のフィルターとして加工する際、整列された金属繊維及び金属繊維ヤーン３の動きが防止され、且つ、金属繊維メディア１０の強度が増大する。

この金属繊維メディアは、０．５〜３ｍｍの厚さとすることが好ましい。金属繊維メディアの厚さが０．５ｍｍ未満であると、繊維の密集度が高くなって気孔率が低くなり、差圧が上昇する問題があり、３ｍｍを超過すると、気孔率が高くなり、粉塵をろ過できないという問題がある。

金属繊維メディア１０は、ディーゼル燃料排ガス用の粒子状物質除去に使われるフィルターの材料になりうる。また、このようにフィルターの材料となる金属繊維メディアは、ひだ付き金属繊維メディアでありうる。ひだ付き金属繊維メディアは、金属繊維またはヤーンの長さ方向に対して垂直方向にひだをつけ（ｐｌｅａｔｉｎｇ）、これによって形成されたひだが固定されるようにひだ方向に加圧することによって製造される。ひだ付き金属繊維メディアは、特に限定されることはなく、本発明のいかなる形態の金属繊維メディアをもプリーツ加工してひだ付き金属繊維メディアとすることができる。具体的には、図２ａ乃至図２ｃに示す金属繊維マットを用いて製造された金属繊維メディアをプリーツ加工して、ひだ付き金属繊維メディアを製造することができる。ひだ付き金属繊維メディアの製造方法及びこれによって製造されたひだ付き金属繊維メディアをそれぞれ、図５ａ及び図５ｂに示す。図５ａに示すように、プリーツ加工する金属繊維メディア１０の金属繊維あるいはヤーンの長さ方向の両端から力を加えて、金属繊維及び／またはヤーンの長さ方向に対して垂直方向にひだをつけたのち加圧してひだを固定することによって、概略ひだ深さの厚さを有するひだ付き金属繊維メディア１０'を製造することができる。プリーツ加工時、ひだの深さは３〜３０ｍｍとすれば良い。ひだの深さが３ｍｍ未満であると、ひだが形成されず、ひだによる表面積向上効果が少ないし、ひだの深さが３０ｍｍを超過すると、再生時に発生する熱による歪みと、高い圧力による歪みが生じる問題がある。ひだの深さを３ｍｍとすると、ひだ形成前に比べて表面積が１．５倍向上し、ひだの深さを３０ｍｍとする場合には１５倍向上する。

本発明の金属繊維メディア及びひだ付き金属繊維メディアは、平均気孔大きさを等価直径で１０〜２５０μｍとすると良い。平均気孔大きさの等価直径が１０μｍ未満であると、極微細粉塵のろ過には効率的であるが、粉塵がフィルター表面に捕集されると気孔が塞がりながら圧力上昇率が急激に上がる。一方、平均気孔大きさの等価直径が２５０μｍを超過すると、適切なろ過特性を示せないという問題につながる。当該金属繊維メディア及びひだ付き金属繊維メディアをフィルター部材としたフィルター内部の気孔率は、８５％〜９７％である。

金属繊維メディア１０，１０’をフィルター部材としてディーゼルエンジン排ガス用の粒子状物質除去に使われるいかなる形態のフィルターも製造可能である。フィルターの形態は特に制限されず、排ガスと接触可能な表面積ができるだけ広く、且つ、それぞれの金属繊維間の気孔にできるだけ多くの排ガス中の粒子状物質などが捕集されうるいずれの形態にしても良い。図６ａ乃至７ｂにフィルターの形態を示すが、これは、本発明の説明を助けるためのもので、本発明に係るフィルターの形態を限定するためのものではない。

フィルターは、管型または多数の管型フィルター部材が重なってなる多重管型とすることができる。管型フィルターの縦断面は、円形、楕円形または四角形、五角形等の多角形、好ましくは円形のシリンダー状であれば良い。多重管型フィルターは、２以上のフィルター部材が重なり合ってなるもので、重なるフィルター部材の数は特に制限されず、フィルターの効率及び容量に応じて適宜選択すれば良い。また、ひだ付き金属メディアがフィルター部材として使われる場合、管型または多重管型フィルターにおいてフィルター部材はひだ付き管型、好ましくはひだ付きシリンダー状になりうる。

図６ａ及び図６ｂに、ひだ付きシリンダー状フィルター部材からなるフィルターを示す。図６ａは、本発明の一実施形態によるひだ付き金属繊維メディアをシリンダー状としてフィルター部材に用いたひだ付きシリンダー状フィルター２０を示すものであり、図６ｂは、図６ａのＢ−Ｂ線に沿ったひだ付きシリンダー状フィルターの縦断面図である。このひだ付きシリンダー状フィルター部材の両端は、固定部材２１，２２で固定される。例えば、上記固定部材の固定は、シリンダー状フィルター部材の両端をキャップで溶接して行うことが出来る。この際、フィルターにおいて排ガスの流入口はオープンされ、処理された排ガスの排出口は閉鎖される。

図７ａに、多重シリンダー状フィルターを示す。図７ａのフィルターは、排ガスの流れ方向を軸として多数のひだ付き管型フィルター部材が重なり合った形態のものであり、フィルター部材は、両端においてそれぞれ二つのフィルター部材が接合部ａ，ｂ，ｃ，ｄで接続され、一端と他端の接合部は互いにずれている。

図７ａ及び図７ｂに示すフィルターは、７重のフィルター部材、すなわち、ひだ付き金属繊維メディアが重なり合ってなるもので、図７ａのＣ−Ｃ線に沿って切開したフィルターの縦断面図である図７ｂに示すように、２重のフィルター部材が両端において互いにずれて接合部で接続されて一体に形成される。

管型にする場合、等価直径対長さは１：１．５〜１５であることが好ましい。多重管型フィルターとする場合には、最も内側の管型フィルター部材の等価直径対長さは１：１．５〜１５であることが好ましい。等価直径に対する長さの割合が１．５未満であると、フィルターの体積対比ろ過面積が小さくなる問題がある。１５倍を超過すると、フィルターの長さが長すぎ車両に取り付け難い。１つの管型フィルター部材当たりひだの個数は、フィルターの等価直径をセンチメートルで表示する場合、等価直径の１５倍以下とすることが好ましい。等価直径の１５倍を超過すると、ひだが多すぎてひだ間の間隔が保持されず、広いろ過面を形成できないという問題につながる。

さらに、本発明の他の実施形態では、フィルター部材の一部分に低密度部を有するフィルターが提供される。フィルター部材の一部分の密度をフィルター部材の他の部分よりも小さく調節したフィルターは、フィルターの差圧特性が改善される。

ディーセルエンジン排ガス中の粒子状物質除去用のフィルターは、使用時間の経過につれて粒子状物質がフィルターに捕集されてフィルターが詰まり、差圧が増加する。そこで、フィルター部材の一部分の密度をフィルター部材の他の部分（非低密度部）の密度より
も小さく調節することによって、粒子状の物質が捕集される場合にも気相微粒子物質がフィルターの低密度部から排出されるようにし、フィルターの差圧増加率を減少させる。また、上記の構成では、粒子状物質によるフィルターの目詰まりが遅くなるので、フィルターを長時間使用できるだけでなく、フィルターの粒子状物質の捕集効率が増大する。

具体的に、図８に示すように、フィルターの中心から長手方向への±４０％範囲の部分に低密度部（Ｂ）が形成される。低密度部（Ｂ）がフィルターの中心から長手方向への±４０％範囲の部分を外れてフィルターの流入部或いは末端部に形成されると、フィルターのろ過効率が減少するために好ましくない。

低密度部（Ｂ）は、フィルター部材の総面積の１〜１５％, 好ましくは1.5〜5％とすることが好ましい。低密度部（Ｂ）がフィルター部材の総面積の１％未満であると、低密度部形成による差圧特性改善効果が少なく、１５％を超過すると、フィルター部材の多くの部分の密度が減少して全般的な粒子状物質のろ過効率の減少につながるために好ましくない。

低密度部（Ｂ）の密度は、フィルター部材の他の部分（非低密度部）の密度の1〜3０％とする。低密度部（Ｂ）の密度が非低密度部の密度の1％未満であると、密度が低すぎて粒子状の物質が十分にろ過されなく、一方、3０％を超過すると、非低密度部と密度が略同一になり、低密度部形成による差圧特性効果が微小となる。この低密度部の密度は、例えば、フィルター部材の金属繊維メディアを構成する金属繊維の気孔率及び／または金属繊維密度などを調節して調節すれば良い。

このような本発明による金属繊維メディアがディーゼルエンジン排ガス用のフィルター部材として使われる場合、ディーゼルエンジン排ガスが、金属繊維メディアの金属繊維間、そしてヤーンとヤーン間に形成されている多数の孔隙を通過して、デプスフィルター（ｄｅｐｔｈ ｆｉｌｔｅｒ）効果を呈する。図９は、図１に示す金属繊維メディア１０のＡ−Ａ線断面図で、ディーゼルエンジン排ガスが金属繊維フィルターを通過することによって、デプス（ｄｅｐｔｈ）フィルターのように粒子状物質４がフィルターによって捕集される概念を示している。

本発明のフィルターで微細な孔隙の大きさが増加するほど、ディーゼルエンジン排ガス中のＰＭ除去効率が増大するので、多数層の金属繊維ヤーンからなる金属繊維メディア、金属繊維ヤーンと金属繊維とからなる金属繊維メディア、及びひだ付き金属繊維メディアをフィルター部材としたフィルターの場合、金属繊維メディアの厚さが増加するためフィルター断面の金属繊維数が多くなり、よって、ＰＭを捕集できる表面積がより増大し、優れた排ガス中の粒子状物質捕集効率を呈する。

また、従来のセラミックフィルターなどでは、セラミックフィルター等にアルミナをコーティングした後、これに触媒を担持して使用してきた。これに対し、本発明による金属繊維メディアからなるフィルターは、金属繊維がＦｅｃｒａｌｌｏｙ材料で製造され、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙにはアルミニウム成分が含まれており、このアルミニウムは高温でアルミナに酸化されるので、別のアルミナコーティング段階無しでフィルターに、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＲｕから選ばれた少なくとも１種の金属触媒を担持して使用することができる。したがって、フィルターに触媒をコーティングするのがより容易になる。本発明による金属繊維メディアをフィルターに製作した後、必要によって、５００〜１，２００℃、好ましくは、酸素雰囲気下で５００〜１，２００℃で１〜２４時間加熱することによって、金属繊維成分中のアルミニウムをアルミナに酸化させ、ここに触媒を担持することができる。加熱時間が５００℃未満または１時間未満になると、アルミニウムがアルミナに十分に酸化されなく、１，２００℃あるいは２４時間を超過すると過コストとなる問題がある
。

従来フィルター素材として使われてきたコーディエライト（Ｃｏｄｉｅｒｉｔｅ）、ＳｉＣ及び本発明のフィルター部材素材として使われるＦｅｃｒａｌｌｏｙの物性を比較すると、強度（ｓｔｒｅｎｇｔｈ）はコーディエライト１ＭＰａ、ＳｉＣ ６ＭＰａ、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ ５４０ＭＰａ；耐熱性はコーディエライト１２００℃、ＳｉＣ １，６００℃、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ １２００℃；熱伝導度はコーディエライト２Ｗ／ｍＫ、ＳｉＣ ６Ｗ／ｍｋ、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ １６Ｗ／ｍＫ；熱膨張率はコーディエライト１×１０^−６℃^−１、ＳｉＣ４×１０^−６℃^−１、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ １１．１×１０^−６℃^−１；融点はコーディエライト１，４５０℃、ＳｉＣ ２，４００℃、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ １５３０℃であって、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ金属繊維を使って製造した金属繊維メディアをフィルター部材とした本発明のフィルターが、従来使われてきたフィルターに比べて優れた強度、耐衝撃性及び熱伝導率などを示した。

したがって、本発明のフィルターは、排ガス浄化装置用フィルターに用いることができ、具体的に、ディーゼルエンジンまたはディーゼル発電機などから発生する排ガスの浄化装置用フィルターに好適に用いることができる。

以下、実施例に挙げて本発明をより詳細に説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を例示するもので、本発明を限定するためのものではない。

本実施例において発明例１及び２の金属繊維フィルターは次のように製造された。米国特許６，６０４，５７０号の方法によって、図３の溶融装置を使用し、直径１２ｍｍの円形棒材（ｒｏｄ）を溶融手段のインダクションコイルに近づけ、１，６００℃で加熱して棒材の末端を溶融させ、この部分を２０ｍ／ｓｅｃで高速回転するディスクに接触させて瞬間的に等価直径５０μｍの金属繊維を製造した。製造された金属繊維は、無作為に配列された無方向性のもので、半月形状の断面を有し、長さは約１０〜１８ｃｍだった。この金属繊維の成分は、クロム２２重量％、アルミニウム５．５重量％、ジルコニウム０．３重量％、そして残部鉄（Ｆｅ）とした。

このように無作為に分布している金属繊維に連続して１００回梳毛して一方向性を与えながら、８０本になるまで梳毛して金属繊維ヤーンを製造した。製造されたヤーンは、１ｇにつき、長さが０．５５ｍで、ねじり率は約８ｔｕｒｎ／ｍだった。このヤーンを２層に長さ方向に一列となるように整列して、金属繊維マットを製造した。発明例１の金属繊維は密度が１．５ｋｇ／ｍ^２で、発明例２の金属繊維は密度が３．０ｋｇ／ｍ^２であった。

その後、上記気孔率６０％の金属繊維マットの上、下面に、気孔率がそれぞれ４５％、７２％である耐熱ワイヤーメッシュをつけて金属繊維メディアを製造した。ワイヤーメッシュの成分は、クロム１８重量％、アルミニウム３．０重量％、そして残部鉄（Ｆｅ）とした。こうして得られた金属繊維メディアは、厚さ１．０ｍｍだったし、平均気孔大きさは等価直径で４０μｍだった。

このように製造された金属繊維メディアを、深さが１０ｍｍとなるようにひだを作り、１ｋｇ／ｃｍ^２で加圧してひだ付き金属繊維メディアとし、これを、直径７０ｍｍ、長さ３００ｍｍ、ひだ数５２個のシリンダー状フィルター部材に製造した。フィルター部材の両端に固定部材を装着して、図６ａに示す形態のひだ付きシリンダー状フィルター（発明例１及び発明例２）を製造した。このシリンダー状フィルターの体積は、１．１５リットルであった。

本実施例では、上記実施例１で製造された発明例１及び２のフィルターと従来のフィルターにおけるＰＭ捕集効率をそれぞれ測定した。従来のフィルターには、コーニン社のウォールフロー（ｗａｌｌ−ｆｌｏｗ）方式で製造されたコーディエライトフィルターが用いられた。従来例１にはＰｔ触媒担持のフィルターが、従来例２には触媒を担持しないフィルターが用いられた。

ディーゼルエンジンには、４気筒のＶＧＴ、インタークーラーとコモンレール（ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ）が装着された容量２，０００ｃｃ級のサンタフェ（韓国、現代自動車）用のディーゼルエンジンを使用した。

発明例１及び２のフィルター２つが装着されたＤＰＦ及び従来例１及び２のフィルター（直径１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）１つがそれぞれ装着されたＤＰＦに対して実験を行った。

実験は、それぞれ下記表１の条件で排ガス中のＰＭ捕集効率を測定した。速度は１００ｋｍ／ｈｒ．とした。下記表１の条件を図１０にも示す。

ＰＭ捕集効率を比較するために、上記各条件でＬＳＤ（低硫黄ディーゼル燃料）とＵＬＳＤ（超低硫黄ディーゼルエンジン、黄含有率５０ｐｐｍ未満）を使用してエンジンを稼動し、ＤＰＦを使用していない場合に発生するＰＭ量を測定して、図１１に示す。

図１１からわかるように、ＤＰＦを使用していない場合、ＰＭの発生量は次第に増加し、低硫黄ディーゼルエンジンの場合、４，０００ｒｐｍ、フルロードトルクで時間当たり約４５ｇのＰＭが発生した。

その後、発明例１と２、そして従来例１と２のフィルターが上述したような個数で装着されたＤＰＦをエンジン後段に装着して、ディーゼルエンジン排ガス中のＰＭ捕集効率を測定し、その結果を図１２に示す。燃料はＵＬＳＤを使用した。図１２のＰＭ捕集効率は、図１１のフィルター未装着時のＰＭ捕集率とフィルター装着時のＰＭ捕集率から計算された。

図１２のグラフからわかるように、従来例１の白金コートのコーディエライトフィルター付きＤＰＦを使用した場合に、最も優れたＰＭ捕集効率が得られた。しかし、触媒を担
持しない発明例１及び２のフィルター付きＤＰＦを使用した場合、従来例２の触媒がコーティングされていないコーディエライトフィルターと略同等水準の優れたＰＭ捕集効率（除去率）を表した。したがって、本発明のフィルターに触媒を担持して使用するとＳＯＦ成分が除去され、従来例１の白金コートのコーディエライトに劣らないＰＭ除去率が得られることは自明である。

また、金属繊維の密度が相対的に大きい発明例２が、発明例１よりも優れたＰＭ捕集率を表した。これにより、本発明による耐熱性金属繊維メディアを従来コーディエライトフィルターの代替材としてディーゼルエンジン排ガス中のＰＭを効率よく捕捉・除去できることがわかる。

本実施例では、１００ｋｍ／ｈの速度で４，０００ｒｐｍ及びフルロードトルクで２時間走行時に、時間経過による発明例１、発明例２、従来例１及び従来例２のフィルターのＰＭ捕集効率を測定し、図１３に示した。エンジン、フィルター及び燃料などは、上記実施例２で使用したものと同様にした。

図１３のグラフに示すように、従来例１のフィルターを使用した場合、走行時間の間に８０〜９０％のろ過効率を表した。触媒を担持しない発明例１及び発明例２のフィルターは、触媒を担持しない従来例２のフィルターと類似する４０〜６０％の効率を表した。したがって、発明例のフィルターに触媒を担持して使用する場合、従来例１に相応する捕集効率が得られると予測される。また、上記結果から、本発明のフィルターは、従来コーディエライトフィルターに代えて、ディーゼルエンジン排ガスのＰＭ捕集に効率よく使用可能であることがわかる。

本実施例は、フィルター再生時の差圧変化を測定することによってフィルターの再生効率を観察したものである。再生は、上記発明例１及び２、そして従来例１のフィルターが装着されたＤＰＦを４０００ｒｐｍ、フルロードトルク条件下で２０分間燃焼させて行った。燃焼中の差圧変化を観察して、図１４に示した。

図１４のグラフからわかるように、発明例１及び２のフィルターは、再生段階の初期には高い差圧を表すが、約１分３０秒経過時に、従来例１のコーディエライトフィルターに類似する差圧と減少するので、再生時間は、従来のフィルターに比べて長くないと判断された。これにより、本発明の金属繊維メディアは再生して使用可能であることがわかる。

また、コーディエライトの熱伝導度は１Ｗ／ｍＫであるのに対し、Ｆｅ―Ｃｒａｌｌｏｙの熱伝導度は１４Ｗ／ｍＫと熱伝導度が高いため、再生時に局所再生温度上昇による破損の恐れがない。

本実施例は、フィルター再生後、４０００ｒｐｍ、フルロードトルク下で発明例１、発明例２及び従来例２フィルターの最大差圧を測定して、図１５に示した。差圧は、フィルター前後端の圧力差で、差圧が少ないとフィルターが詰まらず、排ガスが容易にフィルターを通過できる。図１５からわかるように、再生後、４０００ｒｐｍ、フルロードトルクで発明例１，２は使用可能なフィルター差圧を表した。

本実施例では、低密度部を有するフィルターと低密度部の形成されていないフィルターの粒子状物質捕集による差圧変化を示す。

本実施例において、低密度部の形成されていないフィルターには、上記発明例２のフィルターが使用された。低密度部を有するフィルターには、フィルターの中心から長手方向に−４０％の部分が低密度部の末端となり、かつ、フィルター部材の総面積の3％となるように低密度部が形成された以外は、発明例２と同一のフィルター（以下、‘発明例３’という。）が使用された。低密度部は、密度が０.9ｋｇ／ｍ^２の金属繊維を使って形成した。

本実施例では、粒子状物質捕集量の変化による差圧変化を、１００ｋｍ／ｈｒの速度で１，８００ｒｐｍ及びフルロードトルクで燃料注入量２１．９ｋｇ／ｈｒ、空気注入量３３０ｋｇ／ｈｒとして測定し、その結果を図１６に示した。燃料にはＵＬＳＤ（超低硫黄ディーゼル燃料、硫黄含有率５０ｐｐｍ未満）が使用された。

図１６に示すように、粒子状物質捕集量が２ｇ／Ｌの場合に、発明例３のフィルターの差圧は２５ｍｂａｒであり、発明例２のフィルターは６０ｍｂａｒの差圧を表し、これから低密度部フィルターの場合に差圧特性が改善されたことがわかる。

本発明による金属繊維メディアの構成要素及び製造方法を示す概略図である。 本発明の一実施形態で、金属繊維に一方向性を与えて形成した金属繊維マットを示す図である。 本発明の一実施形態で、金属繊維ヤーンを長さ方向に一定に配列して形成した金属繊維マットを示す図である。 本発明の一実施形態で、２層の金属繊維ヤーンで形成した金属繊維マットを示す図である。 本発明に使われる金属繊維の溶融抽出に使用される装置を示す図である。 溶融抽出法で製造された無作為の方向性を有する金属繊維を示す図である。 溶融抽出法で製造された金属繊維の横断面を示すＳＥＭ写真（倍率：ｘ6００）である。 溶融抽出法で製造された金属繊維の側表面を示すＳＥＭ写真（倍率：ｘ２００）である。 本発明の一実施形態による、ひだ付き金属繊維メディア（フィルター部材）製造方法を示す図である。 本発明の一実施形態による、ひだ付き金属繊維メディア（フィルター部材）を示す図である。 本発明の一実施形態によるひだ付きシリンダー状フィルターを示す写真である。 図６ａのＢ−Ｂ線に沿うシリンダー状フィルターの縦断面図である。 本発明の一実施形態による、多数のひだ付きシリンダー状フィルター部材が重なり合って形成された多重シリンダー状フィルターを示す写真である。 図７ａのＣ−Ｃ線に沿うフィルターの縦断面図である。 本発明によるフィルターで低密度部（Ｂ）が形成される位置を示す図である。 本発明によるフィルターで排ガスの粒子状物質がろ過される現象を示す図である。 実施例２の実験条件を示すグラフである。 実施例２のＤＰＦを使用していない場合の粒子状物質発生度合を示すグラフである。 実施例２の各フィルターの粒子状物質捕集効率を示すグラフである。 実施例３の各フィルターの、粒子状物質捕集効率の経時変化を示すグラフである。 実施例４のフィルター再生時、各フィルターの差圧変化を示すグラフである。 実施例５のフィルター再生後、各フィルターの最大差圧を示すグラフである。 実施例６の低密度部を有するフィルターの差圧特性を示すグラフである。

符号の説明

１，１’，１” 金属繊維マット
２、２’ 支持体
３ 金属繊維ヤーン
４ 粒子状物質
１０，１０’ 金属繊維メディア
２０，３０ フィルター
２１，２２ 固定部材

Claims (18)

1. 一方向性が与えられた多数の金属繊維からなり、気孔率が３０％〜９５％である金属繊維マットと、前記金属繊維マットの上、下面に付けられた気孔率５％〜９５％の支持体とを含んでなる金属繊維メディアをフィルター部材とした、排ガス浄化装置用フィルター。
2. 一方向性が与えられた２０〜５００個の金属繊維束からなり、１ｇにつき、長さが０．４５〜０．６ｍで、ねじり率が１〜９ｔｕｒｎｓ／ｍである金属繊維ヤーンが長さ方向に整列されてなる気孔率３０％〜９５％の金属繊維マットと、前記金属繊維マットの上、下面に付けられた気孔率５％〜９５％の支持体とを含んでなる金属繊維メディアをフィルター部材とした、排ガス浄化装置用フィルター。
3. 前記金属繊維は、密度が１００〜４，０００ｇ／ｍ^２であることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
4. 前記金属繊維マットは、２層以上に長さ方向に整列されることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
5. 前記フィルター部材である金属繊維メディアは、ひだ付き形態を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
6. 前記ひだは、深さが３〜３０ｍｍであることを特徴とする、請求項５に記載のフィルター。
7. 前記金属繊維は、等価直径が１０〜１５０μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
8. 前記金属繊維メディアは、平均気孔大きさが等価直径で１０〜２５０μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
9. 前記金属繊維メディアは、厚さが０．５〜３ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
10. 前記フィルターは、管型フィルター部材からなる管型または多数の管型フィルター部材が重なってなる多重管型フィルターであることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
11. 前記管型フィルター部材は、円形の縦断面を有するシリンダー状であることを特徴とする、請求項10に記載のフィルター。
12. 前記管型フィルター部材は、ひだ付きシリンダー状であることを特徴とする、請求項10に記載のフィルター。
13. 前記管型フィルターにおいて等価直径：長さが、１：１．５〜１５であることを特徴とする、請求項10に記載のフィルター。
14. 前記管型フィルターでひだの個数は、フィルターの等価直径をセンチメートルで表記する時、直径の１５倍以下であることを特徴とする、請求項10に記載のフィルター。
15. 前記排ガス浄化装置用フィルターは、ディーゼルエンジンまたはディーゼル発電機から
    排出される排ガス浄化装置用フィルターであることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
16. 前記フィルターは、該フィルターの中心から長手方向への±４０％の範囲に低密度部を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
17. 前記低密度部は、前記フィルター部材の面積の１〜１５％を占めることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。
18. 前記低密度部の密度は、非低密度部の密度の１〜３０％であることを特徴とする、請求項１または２に記載のフィルター。